超声相控阵检测教材_第三章_超声相控阵技术

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1、第三章超声相控阵技术3.1相控阵的概念3.1.1相控阵超声成像超声检测时，如需要对物体内某一区域进行成像，必须进行声束扫描。相控阵成像是通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，如图3-1所示。图3-1相控阵超声聚焦和偏转3.2相控阵工作原理相控阵超声成像系统中的数字控制技术主要是指波束的时空控制，采用先进的计算机技术，对发射/接收状态的相控波束进行精确的相位控制，以获得最佳的波束特性。这些关键数字技术有相控延

2、时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。3.2.1相位延时相控阵超声成像系统使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射/接收信号的相位延迟（phasedelay），可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束形成等多种相控效果，形成清晰的成像。可以说，相位延时（又称相控延时）是相控阵技术的核心，是多种相控效果的基础。相位延时的精度和分辨率对波束特性的影响很大。就波束的旁瓣声压而言，文献研究表明，延时量化误差产生离散的误差旁瓣，从而降低图像的动态范围。其均方根（RMS）延时量化误差与旁瓣幅值之比为（式3-1）式中，；N-----阵元数目；

3、μ----中心频率所对应一个周期与最小量化延时之比。图3-2示出了延时量化误差引起的旁瓣随N、μ变化的关系曲线。早期的超声成像设备如医用B超中，由LC网络组成多抽头延迟线直接对模拟信号进行延迟，用电子开关来分段切换以获得不同的延迟量。这种延迟方式有两大缺点：①延迟量不能精细可调，只能实现分段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的LC网络和电子开关矩阵；②由于是模拟延迟方式，电气参数难以未定，延时量会发生温漂、时漂、波形容易被噪声干扰。（a）μ=8时，旁瓣随N变化曲线（b）μ=16时，旁瓣随μ变化曲线图3-2旁瓣与N、μ关系图近来采用数字延时来代替原来的模拟延时。数字延时精度

4、高、控制方便、稳定性好，可以大大提高相控阵超声成像质量。数字延时的实现可以分成粗延时和细延时，粗延时一般基于采样时钟计数，延时值为采样周期的整数倍，而采样周期通常为几十纳秒以上。细延时量为采样周期的小数倍，一般能达到10ns以内的延时分辨率。实现数字粗延时比较简单，但是实现细延时比较困难。目前有几种方法实现细延时：一种是流水线式采样延迟聚焦，其延时分辨率一般大于10ns。另一种方法是采用数据做时域内插，获得N倍密集的输出序列从而减小量化延时，这需要很高的运算量和存储器支持。即便如此，延时量化误差仍然不够小。有人采用坐标变换的CORDIC算法实现采样序列的相位旋转。也

5、有人提出基于多种速率数字信号处理技术的多相滤波方法，可以实现5ns级精细延时，并且可以把动态变迹技术等一起考虑。还有人提出基于FIR滤波的延时方法，延时精度可达到5ns。3.2.2动态聚焦（1）相控聚焦原理相控发射聚焦原理如图3-3（a）。设阵元中心距为d，阵列换能器孔径为D，聚焦点为P，焦距为f，媒质声速为c。根据几何声程差，可以计算出为使各阵元发射波在P点聚焦，激励信号延迟时间应为（式3-2）式中，n----阵元序号；----为一个足够大的时间常数，目的是为了避免出现负的延迟时间。接收聚焦如图3-3（b）所示，它是一个和发射聚焦互逆的过程，同样遵守几何聚焦延迟规

6、律。各阵元接收回波信号，按设计的聚焦延迟量进行延迟，然后相加。（a）发射聚焦（b）接收聚焦图3-3相控聚焦原理示意图（2）动态聚焦声束特性在声场中，聚焦点区域的声束宽度最小，即在焦点附近的有限区域内，聚焦声束宽度小于各阵元同时激励（即不聚焦）时的声束宽度；但在此区域之外，聚焦声束宽度反而扩散开来，大于不聚焦声束宽度，如图3-4所示。图3-4聚焦深度和焦点直径对于强聚焦方式，在聚焦深度内聚焦声束变细，可获得优良的侧向分辨率；但聚焦深度很短，焦区以外的声束比未聚焦时发散得更快。为了使相控声束扫描的整个声场范围内都能得到均匀清晰的成像，就要对声场中每一点进行聚焦发射和接收

7、，以便在各点都有连续一致的侧向分辨率。这就要求相控声束能沿扫描线跟踪目标，以形成一个滑动的焦点，并同步改变阵列孔径。在早期的分段动态聚焦系统中，使发射和接收声束分别在近距离、中距离和远距离聚焦，进行几次成像。在几幅成像中，都只是在各自的焦点附近能得到清晰成像，而在其他区域，由于偏离了焦点使图像模糊。将几幅图像拼合起来，就能得到从近距离到远距离比较均匀、分辨特性较好的成像。这种分段聚焦方式合成一幅清晰图像需要转换几次焦点，因而实时性较差。在改进的实时分段动态聚焦方式中，在一次声束发射/接收过程中，同步地改变焦点深度。焦点分段更加细密、平滑，常采用8、16段等动态聚